集成光学是光子学研究前沿领域之一，重点研究片上集成有源器件、无源器件以及片上集成光子系统，其在光通信、微波光子学等领域有着广泛应用。作为重要的集成光子平台，薄膜铌酸锂具有模场束缚强、器件尺寸小、非线性效率高、透明窗口宽等优点。基于薄膜铌酸锂集成光子平台，众多性能优异的紧凑集成光子器件应运而生，如高性能电光调制器、宽带光频率梳源、高效频移器等。
下一代移动通信技术（6G）将充分利用低中高全频谱资源，峰值速率达到Tbit/s。作为下一代移动通信技术的重要物理层基础，光纤通信系统是海量数据接入、聚合和传输的核心环节。薄膜铌酸锂集成平台已实现大带宽（百GHz量级）、低半波电压（百mV量级）的电光调制器，是未来超大容量光纤通信的实现路径之一。
然而，铌酸锂材料本身难以实现激光产生和光电探测，因此光源和光电探测器的片上集成是薄膜铌酸锂集成平台面临的一大挑战。其中，高性能光电探测器的片上集成对于薄膜铌酸锂集成平台至关重要。
近日，西南交通大学 与技术学院的闫连山教授、谢小军教授团队采用异质集成工艺、晶圆级化合物流片工艺，成功研制高速高效薄膜铌酸锂异质集成光电探测器，器件3-dB带宽为110 GHz、响应度为0.4 A/W。
图1：薄膜铌酸锂异质集成光电探测器示意图
该研究成果以“Ultra-wideband Waveguide-coupled Photodiodes Heterogeneously Integrated on a Thin-film Lithium Niobate Platform”为题在线发表在Light: Advanced Manufacturing。西南交通大学为第一完成单位，谢小军教授和闫连山教授为论文通信作者。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所曾中明研究员为该工作提供宝贵支持，中国科学院苏州纳米所纳米加工平台提供了重要的工艺平台支撑。本工作得到国家重点研发计划的资助和支持。
该工作首先刻蚀形成薄膜铌酸锂光波导及无源器件，随后将磷化铟晶圆与薄膜铌酸锂晶圆进行键合。键合晶圆减薄后，采用干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法形成器件台面结构，通过SU-8光胶曝光、显影和金属电镀、剥离，形成器件电极结构，最后切片、端面抛光，制备出薄膜铌酸锂异质集成光电探测器。
图2：薄膜铌酸锂异质集成光电探测器制备流程
图源: Light: Advanced Manufacturing 4, 30(2023)
通过优化器件外延层结构、无源波导结构以及金属电极结构，实现110 GHz 3-dB带宽和0.4 A/W响应度。
为进一步验证器件的性能，将器件应用于数字信号接收系统，实现了32 Gbaud四电平脉冲调幅信号的无误码接收。
图3：薄膜铌酸锂异质集成光电探测器性能指标
图源: Light: Advanced Manufacturing 4, 30(2023)
该工作突破了薄膜铌酸锂平台高速高效信号探测的瓶颈，为大规模、多功能、高性能薄膜铌酸锂光子集成芯片的发展奠定基础，在超高速光通信、高性能集成微波光子学等应用中具有重要意义。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2023.030
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